Tecnologia VLSI

(1)

Tecnologia VLSI - Uma Breve Introdu¸ c˜ ao ^∗

S. W. Song

MAC 344 - Arquitetura de Computadores

∗baseado em parte em Mead and Conway - Introduction to VLSI Systems, Addison-Wesley

(2)

Tencologia de microeletˆ onica que integra uma grande quantidade de dispositivos eletrˆ onicos (transistores) numa pastilha (chip).

• SSI (Small Scale of Integration)

MSI (Medium Scale of Integrations)

Integram de dezenas ou centenas a milhares de transistores.

• LSI (Large Scale of Integration)

VLSI (Very Large Scale of Integrations) Integram mais de milh˜ oes de transistores.

1

(3)

Analogia

carga el´etrica gota de ´ agua

corrente el´etrica corrente de ´ agua voltagem press˜ ao

bateria bomba

resistor turbina

capacitor tanque de ´ agua

(4)

Transistor MOS

MOS = Metal Oxide Semiconductor

• Veremos o transistor MOS, que nada mais ´e uma chavinha min´ uscula (abre e fecha) feito de semicondutor (Sil´ıcio Si).

• Mas antes, para motivar voces, veremos o tamanho de um transistor e a sua evolu¸c˜ ao no tempo.

• Suponha que um chip, ao invés de conter um monte de dispositivos eletrˆ onicos (transistores), contém regi˜ oes geogr´ aficas (ruas, casas, prédios, pra¸cas, etc).

3

(5)

Tamanho de um Transistor MOS

Tamanho (largura) de um transistor:

1963 24 µm

1978 5 µm

1990 1 µm

2005 0,1 µm

2017 0,01 µm

(6)

Tecnologia MOS

As explica¸c˜oes s˜ao bem simplificadas (usando a NMOS) para facilitar o entendimento.

CMOS ´e a tecnologia do momento.

Num substrato de Sil´ıcio (wafer de Si) s˜ ao depositadas 3 camadas de material condutor: metal, polisil´ıcio, difus˜ ao.

As 3 camadas s˜ ao separadas por ´ oxido (isolante).

5

(7)

Sobreposi¸ c˜ ao de camadas

• Uma trilha de metal pode cruzar uma trilha de polisil´ıcio ou

de difus˜ ao sem produzir efeito significativo.

(8)

Sobreposi¸ c˜ ao de camadas pode produzir um transistor

Se uma trilha de polisil´ıcio cruzar uma trilha de difus˜ ao, ent˜ ao aparece um transistor MOS.

Seja voltagem V_DS > 0. Seja V_lim uma pequena voltagem limiar, caracter´ıstica do material. Sem carga no gate: o circuito entre D e S está interrompido, logo não passa corrente. Com carga no gate: elétrons livres concentram-se na região do canal (pois carga positiva atrai carga negativa), então basta termos a voltagem entre o gate G e S maior que a voltagem limiar, ou seja V_GS > V_lim, para permitir a passagem de corrente de D para S, onde O transistor MOS atua como uma chave liga-desliga.

7

(9)

Transistor MOS

(10)

Nota¸ c˜ ao para transistor MOS

Nota¸c˜ao sem cor Nota¸c˜ao colorida (palito)

9

(11)

Transistor MOS pode atuar como capacitor, chave e resistor

• Vimos que um transistor MOS pode armazenar ou n˜ ao carga el´etrica, atuando assim como um capacitor.

• Pode atuar como chave liga-desliga controlando a passagem ou n˜ ao de corrente.

• Esse tipo de transistor recebe tamb´em o nome de transistor de passagem.

• Usando transistores de passagem, podemos implementar por exemplo um circuito multiplexador ou seletor. (Mostrar na classe.)

• Mesmo quando o transistor MOS est´ a conduzindo corrente, ele apresenta

uma resistˆencia. Ent˜ ao o transistor MOS pode tamb´em atuar como

resistor. Vermos isso na constru¸c˜ ao da porta N˜ AO.

(12)

Dois transistores produzindo uma porta N ˜ AO

Na porta N˜ AO, h´ a dois transistores (uma trilha de polisil´ıcio cruzando uma trilha de difus˜ ao). O transistor de cima (chamado transistor pull-up pu) foi fabricado para sempre permitir a passagem de corrente. O seu papel ´e funcionar como resistˆencia. O transistor de baixo (chamado pull-down pd) funciona com uma chave normal.

11

(13)

Transistor MOS atuando como resistor

Um transistor em estado de condu¸cão (passando corrente) possui uma pequena resistência R cujo valor é diretamente proporcional ao comprimento L e inversamente proporcional à largura W.

R = α_W^L , onde α ´e uma constante.

• O comprimento L ´e a medida na dire¸c˜ao do fluxo da corrente

• A largura W ´e a medida ortogonal ao comprimento.

(14)

Porta N ˜ AO

13

(15)

Porta N ˜ AO - dimens˜ oes dos transistores

• Um transistor em estado de condu¸c˜ ao (passando corrente) possui uma pequena resistˆencia R cujo valor ´e diretamente proporcional ao comprimento L e inversamente proporcional ` a largura W .

R = α

_W^L

, onde α ´e uma constante.

• A resistˆencia de condu¸c˜ ao do transistor pu deve ser 4 vezes a resistˆencia de condu¸c˜ ao do transistor pd. Assim, devemos ter:

R

_pu

= 4R

_pd

L_pu

W_pu

= 4

_W^L^pd

pd

(16)

Como est´ a o meu aprendizado?

Identificar na figura abaixo as dimens˜ oes L

_pu

, W

_pu

, L

_pd

, eW

_pd

e constatar a rela¸c˜ ao acima.

15

(17)

Como est´ a o meu aprendizado?

Identificar na figura abaixo as dimens˜ oes L

_pu

, W

_pu

, L

_pd

, eW

_pd

e

constatar a rela¸c˜ ao acima.

(18)

Nota¸ c˜ ao para porta N ˜ AO

VDD

GND In

Out

w w

w

VDD

GND In

Out

w w

w

17

(19)

Porta NAND

(20)

Nota¸ c˜ ao para porta NAND

VDD

GND In1

In2

Out

w w

w

VDD

GND In1

In2

Out

w w

w

19

(21)

Porta NOR

• A nota¸cão sem usar cor ou usando cor (palito) para a porta NOR é análoga à da porta NAND.

• Voce pode apresentar essa nota¸c˜ao?

(22)

L´ ogica booleana usando porta NAND

Exemplo: considere a equa¸cão lógica expressa na forma normal disjuntiva ou disjun¸cão de cláusulas conjuntivas (uma soma de produtos).

F = (A∧B)∨ (C ∧ D)

Vamos negar duas vezes o lado direito (que n˜ao altera nada):

F = (A∧ B)∨(C ∧D)

Aplicamos Lei de Morgan:

F = (A∧B)∧ (C ∧ D)

21

(23)

L´ ogica booleana usando porta NOR

Exemplo: considere de novo a equa¸c˜ao l´ogica:

F = (A∧B)∨ (C ∧ D)

Vamos negar duas vezes o lado direito (que n˜ao altera nada):

F = (A∧ B)∨(C ∧D)

Aplicamos Lei de Morgan:

F = (A∧ B) ∧(C ∧D) = (A∨ B)∧(C ∨D) = (A ∨B)∨(C ∨D) Portanto F = (A∨B) ∨(C ∨ D)

(24)

Como foi o meu aprendizado?

• Um transistor MOS tem comprimento L e largura W.

– Sua resistência em estado de condu¸cão é nula?

– No caso negativa, essa resistˆencia

∗ ´e diretamente proporcional a L ou W?

∗ ´e inversamente proporcional a L ou W?

• Quero produzir uma porta NAND com duas entradas. Qual o n´umero total de transistores devo usar?

• Idem para uma porta NOR com duas entradas. Qual o n´umero total de transistores devo usar?

• Para refletir:

– Acabamos de ver como produzir portas N˜AO, NAND e NOR usando transistores MOS.

– Qualquer l´ogica booleana pode ser implementada com essas portas.

– O n´umero de transistores em uma pastilha vem aumentando ao longo do tempo, de forma exponencial.

– Ah! Entendi agora a razão do avan¸co fantástico da área.

23

Tecnologia VLSI - Uma Breve Introdu¸c˜ao

Tecnologia VLSI - Uma Breve Introdu¸ c˜ ao ∗

MAC 344 - Arquitetura de Computadores

Tecnologia VLSI

Tencologia de microeletˆ onica que integra uma grande quantidade de dispositivos eletrˆ onicos (transistores) numa pastilha (chip).

• SSI (Small Scale of Integration)

MSI (Medium Scale of Integrations)

Integram de dezenas ou centenas a milhares de transistores.

• LSI (Large Scale of Integration)

VLSI (Very Large Scale of Integrations) Integram mais de milh˜ oes de transistores.

Analogia

carga el´etrica gota de ´ agua

corrente el´etrica corrente de ´ agua voltagem press˜ ao

bateria bomba

resistor turbina

capacitor tanque de ´ agua

Transistor MOS

MOS = Metal Oxide Semiconductor

• Veremos o transistor MOS, que nada mais ´e uma chavinha min´ uscula (abre e fecha) feito de semicondutor (Sil´ıcio Si).

• Mas antes, para motivar voces, veremos o tamanho de um transistor e a sua evolu¸c˜ ao no tempo.

• Suponha que um chip, ao invés de conter um monte de dispositivos eletrˆ onicos (transistores), contém regi˜ oes geogr´ aficas (ruas, casas, prédios, pra¸cas, etc).

Tamanho de um Transistor MOS

Tamanho (largura) de um transistor:

1963 24 µm

1978 5 µm

1990 1 µm

2005 0,1 µm

2017 0,01 µm

Tecnologia MOS

Num substrato de Sil´ıcio (wafer de Si) s˜ ao depositadas 3 camadas de material condutor: metal, polisil´ıcio, difus˜ ao.

As 3 camadas s˜ ao separadas por ´ oxido (isolante).

Sobreposi¸ c˜ ao de camadas

• Uma trilha de metal pode cruzar uma trilha de polisil´ıcio ou

de difus˜ ao sem produzir efeito significativo.

Sobreposi¸ c˜ ao de camadas pode produzir um transistor

Se uma trilha de polisil´ıcio cruzar uma trilha de difus˜ ao, ent˜ ao aparece um transistor MOS.

Transistor MOS

Nota¸ c˜ ao para transistor MOS

Transistor MOS pode atuar como capacitor, chave e resistor

• Vimos que um transistor MOS pode armazenar ou n˜ ao carga el´etrica, atuando assim como um capacitor.

• Pode atuar como chave liga-desliga controlando a passagem ou n˜ ao de corrente.

• Esse tipo de transistor recebe tamb´em o nome de transistor de passagem.

• Usando transistores de passagem, podemos implementar por exemplo um circuito multiplexador ou seletor. (Mostrar na classe.)

• Mesmo quando o transistor MOS est´ a conduzindo corrente, ele apresenta

uma resistˆencia. Ent˜ ao o transistor MOS pode tamb´em atuar como

resistor. Vermos isso na constru¸c˜ ao da porta N˜ AO.

Dois transistores produzindo uma porta N ˜ AO

Transistor MOS atuando como resistor

Porta N ˜ AO

Porta N ˜ AO - dimens˜ oes dos transistores

• Um transistor em estado de condu¸c˜ ao (passando corrente) possui uma pequena resistˆencia R cujo valor ´e diretamente proporcional ao comprimento L e inversamente proporcional ` a largura W .

R = α

, onde α ´e uma constante.

• A resistˆencia de condu¸c˜ ao do transistor pu deve ser 4 vezes a resistˆencia de condu¸c˜ ao do transistor pd. Assim, devemos ter:

R

= 4R

= 4

Como est´ a o meu aprendizado?

Identificar na figura abaixo as dimens˜ oes L

, W

, L

, eW

e constatar a rela¸c˜ ao acima.

Como est´ a o meu aprendizado?

Identificar na figura abaixo as dimens˜ oes L

, W

, L

, eW

e

constatar a rela¸c˜ ao acima.

Nota¸ c˜ ao para porta N ˜ AO

Porta NAND

Nota¸ c˜ ao para porta NAND

Porta NOR

L´ ogica booleana usando porta NAND

L´ ogica booleana usando porta NOR

Como foi o meu aprendizado?

Tecnologia VLSI - Uma Breve Introdu¸ c˜ ao ^∗